民用建筑太阳能热利用现状分析与探讨

刘 舰

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

随着我国经济建设的快速发展，全国建筑能耗的需求量不断增加，常规不可再生能源利用情况日趋紧张，大力推广使用替代可再生新能源就显得十分重要了。而太阳能恰恰是自然界中永存的一种最廉价的清洁可再生基本能源，它取之不尽,用之不竭，所以目前在民用建筑领域中研究探讨如何更好的利用太阳能资源在热水供应、供暖以及空调等几个方面应用，以减少常规能源的使用是一项意义深远利国利民的工作。在民用建筑中如住宅、学校、单体别墅、宾馆等冬季供暖、夏季空调以及日常生活热水供应等系统占建筑总能耗的比重通常比较大，如何有效合理开发利用太阳能资源以充分发挥其环保、低碳节能等优点，对建筑专业设计师来说就显得尤为重要了。所以太阳能热利用技术越来越受到人们广泛关注与重视，有望成为当前主要替代新能源。

1 民用建筑能耗分析

民用建筑总能耗是指为维持某建筑内温度、湿度恒定所需要消耗的能量，它包括冷负荷和热负荷两部分。影响民用建筑能耗的主要因素有：建筑总体规划、采暖空调系统、建筑体型系数、建筑平面布置、建筑围护结构构造、太阳能辐射强度等。本文主要探讨如何合理运用太阳能资源从而达到降低民用建筑能耗的目标。通过外墙、外窗、顶棚、地面等外围护结构而形成冷、热负荷包括室内外温差传递的热量和透过的太阳能辐射热，透过的太阳能辐射得热量对冷、热负荷来说，对建筑围护结构的要求正好相反：例如冬季天气晴朗日照充足时，则希望设计出能够较多得到太阳辐射能量的建筑外形，特别是需要有较大南外窗的建筑；相反冬季阴天、多云日照减少时，则应尽量减少建筑室内通过围护结构向室外的热量传递损失，所以此时外窗面积相对外围护结构越小越合理。从下面例子还可以明显看出同样一个民用建筑在不同的季节里可能出现完全相反的节能效果：在夏天如果能减少南面的窗、墙比，可以减少夏季冷负荷，从而可以节省制冷空调费用，但是从冬天需要更多的获得太阳辐射热量的角度来看就显得不合理了，南面的窗、墙比相对来说是越大越好。又如在我国北方建筑中为了降低建筑能耗通常加强外窗、外门等围护结构的严密性和保温性，有可能出现由于封闭阳台带来的温室效应，会造成南向房间过热和各不同朝向房间之间室内温差过大而形成的的热力失调问题。所以在民用建筑设计时应综合而全面的考虑太阳能热利用问题。

2 太阳能热水供应系统

太阳能热水供应是目前国内外民用建筑对太阳能热利用中,应用最为广泛、最为实用，并且技术相对比较成熟的一种系统形式。在太阳能供热水中最常见的一种装置形式是太阳能热水器，经过多年来不断地研究试验和创新，已使科技成果逐渐转化为相对成熟产品且其生产模式已趋于产业化。其系统主要由集热装置、蓄热水箱、热水循环管路以及一些其他辅助动力装置(如循环水泵)、自动控制部件(如温差控制器)等构成。现阶段我国民用建筑住宅、别墅、宾馆中为了节约煤炭、电力等常规能源，减少日常运行费用开支，常安装太阳能全玻璃真空管集热器装置与普通生活热水供应系统相互配合使用，它是利用传统平板型热水器集热原理而研发出来的一种全新太阳能集热装置。对于全年有热水供应的住宅或宾馆等民用建筑而言，太阳能集热器通常朝南倾斜放置于屋顶之上，对于我国北方地区大致每100 m2住宅需要13 m2～20 m2的太阳能真空管集热器，这就需要建筑师在建筑设计初步阶段应充分考虑建筑的平面位置、高度以及屋顶构造形式等，以保障太阳能集热器的合理安装面积以及良好使用效果。

3 主动式太阳能供暖系统

主动式太阳能供暖系统主要由太阳能集热装置(如真空管集热器)、蓄热设备(如贮热水箱)、供暖管路、末端装置(如散热器、风机盘管、辐射板)和辅助补充热源等构成。此系统最重要核心部件是太阳能集热器，它此时相当于常规供暖方式的热源部分，其主要功能是尽可能地高效吸收并利用太阳日照辐射热量，通过蓄热设备贮存的热量来对供暖管路系统中的媒介水进行加热，供暖管路中的热水经过循环水泵的往复运转，将大量热量传递到用户末端散热装置，最终将热量释放给房间，已达到冬季房间供暖要求。

我们知道因为太阳能本身的缺点之一是不够稳定(如雨雪、阴天等连续坏天气)，再加上具有间断性和分散性(如夜晚等)，可以说有时需要靠天吃饭，所以它作为供暖系统热源势必具有一定的局限性，为了保证某些民用建筑如住宅、别墅等冬季供暖的连续性，必须增设辅助补充热源设备(如燃煤、燃油、燃气锅炉、电加热器或热力换热器等)。当热用户的建筑耗热量小于太阳能集热装置产热量时，此时可以将多余的热量贮存在蓄热设备中，作为预留热量留作后用，从而提高建筑能源的使用能效比；相反当热用户的建筑耗热量大于太阳能集热装置产热量时，此时需要启动辅助补充热源，两套系统装置通过合理的设计可以自动进行转换。对于辅助热源的选择首先要满足民用建筑中有关暖通空调设计规范和某些地方标准进行，其次再根据太阳能供暖工程具体实际情况进行综合经济性对比之后选取。例如本地区电费收取较低且电力供应连续充沛，用电作为辅助热源最为经济方便合理。

4 被动式太阳能供暖建筑

被动式太阳能供暖建筑，又称为太阳房。它是建筑师根据太阳辐射基本原理，在进行建筑设计时往往巧妙地利用建筑物的周边地形环境、建筑物朝向，通过对建筑物室内、外立体空间的合理布置，以及综合考虑所选取的建筑材料性能、围护结构热工系数等多方面因素，使建筑物在寒冷季节可以大量吸收、贮存和输配太阳日照辐射量，并通过技术手段使室内温度在一定合理范围内波动，达到冬季采暖目的。被动式太阳能供暖建筑不需要专门的太阳能集热装置，其集热部件作为围护结构的一部分与房屋建筑构造巧妙融合为一体，不需要常规供暖所需的热水循环管路等配套系统，这是其与主动式太阳能供暖主要不同之处。南向外玻璃窗是直接受益式太阳房中最重要的组成部分，在做太阳能建筑设计时经常考虑的是南向外玻璃窗与其对应外墙的合理窗墙比，以期达到综合节能效果。被动式太阳能供暖较适合应用在对采暖要求不高或间歇供暖的北方民用建筑中的农村住宅、乡村小学等，它属于自给式供暖方式所以不够稳定，故应用范围具有一定局限性，不适宜全面展开推广应用。

5 太阳能供冷空调系统

民用建筑太阳能热利用不但可以平时供生活用热水、北方地区冬季供暖，还可以在夏季向建筑物供冷，其制冷空调主要采用太阳能溴化锂吸收式制冷机组。通过太阳能集热器获得的辐射得热量作为该系统制冷机组的主要动力部分，并将其产生热量不断贮存在蓄热水箱中作为该吸收式制冷机组发生器的热源，而制冷机蒸发器吸收热量后产生的冷冻水贮存在蓄冷水箱之中，通过冷冻水循环水泵以及冷冻水管网系统不断向建筑用户末端装置(如风机盘管、空气处理机组或吊顶式辐射板等)进行供冷。根据热平衡原理机组中吸收器与冷凝器一定同时向外界环境释放出大量热量，此系统形式一般为节省建筑空间通常在建筑物屋顶设置水冷式冷却塔装置，通过冷却水循环管路系统将热量最终释放给大气环境。当然由于太阳能热利用有时不够连续稳定，该系统必须同时增设燃气锅炉等辅助能源设备，根据机组实际运行情况，向水环路系统中补充热量。该系统也可以用于北方民用建筑冬季用空调供暖，此时可将蓄热水箱中贮存的热水连到空调水系统管路即可。可以看出太阳能溴化锂吸收式制冷机组比传统用电驱动的蒸气压缩式制冷机节约常规能源。

6 太阳能热利用技术在民用建筑领域综合应用

国内外民用建筑领域中太阳能热利用技术的应用已经比较成熟，特别是近几年来随着我国大力提倡绿色低碳节能环保政策后，不可再生能源尤其是太阳能应用技术发展很快，如何实现民用建筑设计与太阳能热利用一体化就显得日益重要。太阳能在建筑中的综合应用，不仅体现在太阳能供冷空调、采暖、供热水等建筑使用能耗上，还可以结合太阳能发电等，这就使得人们对太阳能技术更加关注与重视。如上所述，无论是太阳能供冷空调系统还是主动式太阳能供暖系统中都包含太阳能集热装置和辅助补充能源两个系统。从近几年来太阳能实际工程的运行效果看，在我国太阳能资源丰富的某些北方地区供暖期较短，平均为3，4个月左右，而炎热夏季时间也不是很长，仅仅利用设置在建筑屋顶面积较大的太阳能集热装置在冬季供暖、夏季制冷空调，系统初投资较大而设备利用率较低，运行成本较高。但是如果能在非典型夏季或冬季也就是春秋等过渡季节向民用建筑用户供生活热水，即采用太阳能主动式供暖与热水供应系统或太阳能供冷空调与热水供应系统相结合运行方式，就可以大大提高太阳能集热设备的使用率，节省设备全年综合运行费用，从而发挥较大的节能、环保优势。同时建筑师在设计屋顶等建筑外部构造时应注意与太阳能集热器的合理布置摆放相结合，做到不但建筑造型美观而且经济实用以减少建筑能耗，符合节约能源、低碳环保时代要求，这些都是今后我国在民用建筑领域太阳能热利用技术的发展方向和前途所在。